穆斯堡爾譜學

　　通過γ射線的無反沖共振吸收研究固體微觀結構的譜學技術，以1958年發現該效應的R.L.穆斯堡爾的姓命名。

　　簡史　1960年R.V.龐德和G.A.裏佈卡用穆斯堡爾效應驗證瞭廣義相對論預言的重力場譜線紅移；同年H.J.哈伊等驗證瞭狹義相對論預言的橫向多普勒效應。這些實驗都表明瞭穆斯堡爾效應有極高的精度。穆斯堡爾譜線寬度很窄，理想線寬僅為能級自然寬度的二倍，通常這比由原子核－核外環境間間超精細相互作用引起的核能級的移動和分裂小得多。由於能量分辨率高、設備簡單、可原位測定等一系列優點，從發現穆斯堡爾效應至今雖隻有20多年，但這個源於核物理的方法已在與固體物理和化學有關的許多學科中得到重要應用。

　　穆斯堡爾效應　自由原子核發射或吸收γ光子時，由於核的反沖使發射譜與吸收譜相距甚遠，因此不易觀察到共振吸收效應。但如果把發射核與吸收核分別牢固地束縛在放射源與吸收體的所在固體點陣中，就可能消除原子核的反沖，如用含有同類原子核的固體樣品為吸收體，則能有一定的幾率實現γ射線無反沖的發射和共振吸收，通常用無反沖因子f表示實現這種過程的幾率。為觀察到穆斯堡爾效應，必須使f＞0.01。由於吸收體和源中相同的穆斯堡爾原子核所處環境通常不同，因而其能量也不同，測譜時必須使源相對於吸收體以一定速度v往返運動，通過多普勒效應來調制所發生的γ射線的能量，同時測定γ射線的相對透射率，即可得到穆斯堡爾譜（圖1）。

　　以⁵⁷Fe的能量E=14.4千電子伏的γ躍遷為例，所測線寬Γ為0.93×10^-8電子伏，其Γ/E=6×10^-13。這表示可用該效應探測10^-13數量級的能量變化。穆斯堡爾效應由於具有極高的能量分辨率，已成為研究穆斯堡爾原子與其周圍環境超精細相互作用的有力手段。

　　穆斯堡爾譜參量　原子核周圍環境所產生的電磁場對於能級的影響稱為超精細相互作用，它們可以用相應的譜參量衡量，這些相互作用和相應的譜圖如圖2所示。

它包括同質異能移、四極裂距和磁分裂。

　　同質異能移　也稱化學能移，以δ表示，它產生於原子核電荷與進入核內的原子電子電荷密度的靜電相互作用，這種電子電荷密度主要直接來自s電子和p電子的貢獻，間接來自d、f等殼層電子的屏蔽效應。這種靜電相互作用對於能級的影響使譜線發生位移。從δ的數值可以得到穆斯堡爾原子氧化態和化學鍵性質等信息。

　　四極裂距　以ΔE_Q表示，對於自旋量子數I＞1/2的原子核，可用電四極矩Q表示核電荷分佈偏離球對稱的程度，核外環境在核處產生的電場梯度與核四極矩的相互作用，使核能級分裂從而得到分裂的譜線。以⁵⁷Fe和¹¹⁹Sn為例，激發態時I_e＝3/2，在非立方對稱環境的靜電作用下可分裂為兩個亞能級，得到一組雙線譜，雙線的間距即為四極裂距。從ΔE_Q可以得到關於核周圍電子雲分佈或近鄰環境（配體或離子）電荷分佈的不對稱性和化學鍵性質的信息。

　　磁分裂　自旋量子數為I的原子核的磁矩與核外環境所產生的磁場相互作用會使核能級分裂為2I+1個亞能級，以₅₇Fe和¹¹⁹Sn為例，由此可得到特征的六線譜，從這種磁超精細分裂可以求出原子核處的有效磁場。

　　上述超精細作用可單獨存在，也常見兩種或三種同時共存。已觀察到穆斯堡爾同位素有90餘種，使用最廣泛的為₅₇Fe（現約占全部穆斯堡爾研究工作的70％）和₁₁₉Sn（現約占15％）。穆斯堡爾元素的數目有限。有的半衰期太短；有的使用時必須低溫，這些因素是這個譜學方法的主要限制。

　　應用　穆斯堡爾效應為當代一個重要科學發現。在很短時間內，它幾乎滲入到所有自然科學研究領域。至今，所研究的范圍仍在不斷擴大。原子核的基本性質、點陣動力學、弛豫效應、生物大分子體系、催化體系、微晶顆粒、表面、界面、金屬和合金中的電子結構、化學結構、化學鍵、共價效應、非晶態、輻射損傷以及地質、礦物、考古、環境等方面的應用都是目前重要的研究內容。

　　

參考書目

　U.貢澤爾著，徐英庭、李哲等譯：《穆斯堡爾譜學》，科學出版社，北京，1979。(U.Gonser，Mössbauer Sp-ectroscopy，Springer-Verlag，Berlin，1975.)